Sfide per oggi e il futuro nella stampa 3D Impalcature bioceramiche
In ” Stampa 3D di impalcature bioceramiche: ostacoli alla traduzione clinica: dalla promessa alla realtà e alle prospettive future “, gli autori Kang Lin, Rakib Sheikh, Sara Romanazzo e Iman Roohani esplorano la bioceramica della stampa 3D e gli “ostacoli” per l’ambiente clinico, lungo con le attuali limitazioni e i parametri richiesti.
La rigenerazione ossea è una motivazione molto comune alla base della fabbricazione di impalcature, poiché i ricercatori cercano proprietà meccaniche più adeguate nei materiali e stabilità nella struttura. Questa continua ad essere una fonte di sfida nei laboratori di tutto il mondo, così come negli ospedali, poiché i professionisti medici si sforzano di migliorare il trattamento per i pazienti con difetti ossei derivanti da problemi come:
Trauma
Infezione
Resezione tumorale
Anomalie scheletriche
Processo rigenerativo compromesso
Gli autori sottolineano che gli autotrapianti sono lo “standard di riferimento” per gli sforzi di rigenerazione ossea, che stimolano la crescita delle cellule ossee, ma richiedono anche un secondo intervento chirurgico per la raccolta dei materiali da innesto, presentando rischio di infezione e dolore. Queste procedure potrebbero non essere facilmente eseguibili né nei pazienti più anziani o nelle persone con tumori maligni, o in quelli che hanno già avuto una perdita ossea sostanziale. Anche gli allotrapianti sono popolari, ma rappresentano anche una sfida a causa della mancanza di convenienza, carenza di tessuto donatore, rischio di ulteriori malattie e altro ancora.
Il campo emergente della bioprinting e l’uso di impalcature biocompatibili stampate in 3D offrono molti vantaggi rispetto ad altre tecniche, poiché queste strutture non solo possono rigenerare i tessuti ma continuare a supportare l’attività e la crescita delle cellule. La stampa 3D di ponteggi offre un grande potenziale in quanto possono essere prodotti su richiesta in un formato specifico per il paziente.
“Negli ultimi anni, l’applicazione della produzione additiva nell’ingegneria del tessuto osseo è cresciuta in modo esponenziale”, hanno affermato i ricercatori.
“Le caratteristiche fisiche dei ponteggi come la dimensione dei pori, la forma dei pori, l’interconnessione tra i pori e la porosità e la forma complessiva del ponteggio possono essere progettate come un modello 3D e fabbricate dalla macchina da stampa.”
La produzione additiva si è sviluppata in una tecnologia che ha avuto impatti significativi nel regno medico; tuttavia, le sfide continuano nella bioceramica stampata in 3D.
“Alcune di queste sfide sono attribuite alla natura della bioceramica, vale a dire la fragilità intrinseca, la necessità di alte temperature per la sinterizzazione, e il resto è legato alla limitazione della tecnica di stampa, pianificazione preoperatoria e complicanze postoperatorie, in cui elaboreremo più nel seguito ”, hanno scritto i ricercatori.
L’ottimizzazione dei parametri è fondamentale nella stampa 3D per la bioceramica, insieme a tecniche di post-elaborazione adeguate. Anche la fragilità è un problema costante, poiché le ceramiche sono intrinsecamente fragili e pongono seri problemi di manipolazione.
“In molti materiali naturali come la madreperla o l’osso, l’elevata tenacità si ottiene attraverso una disposizione gerarchica di componenti organici (fase dura) e inorganici (fase rigida) a scale di diversa lunghezza da nano a micro e macro, ma tali strutture sono estremamente difficili da imitare e fabbricare “, hanno spiegato i ricercatori. “Tuttavia, queste soluzioni sembrano essere poco pratiche da implementare nella stampa 3D della bioceramica. In primo luogo, i ponteggi bioceramici devono essere sinterizzati ad alte temperature; pertanto, non possono essere integrati con i biopolimeri durante la stampa e, in secondo luogo, l’attuale risoluzione delle tecniche di stampa è limitata a diversi micron che non consentono il controllo su scala nanometrica nella fabbricazione. “
Mentre le sfide continuano con le impalcature prefabbricate, i ricercatori suggeriscono di stampare in situ direttamente sulla ferita, utilizzando un piccolo dispositivo portatile, “permettendo al chirurgo di costruire direttamente un’impalcatura 3D desiderabile nel difetto. Questo nuovo processo non solo ha dimostrato di avere successo, ma offre anche vantaggi rispetto all’uso di ponteggi prefabbricati in termini di convenienza e riduzione dei tempi di pianificazione preoperatoria.
I materiali possono essere un problema, tuttavia, poiché il processo richiede un nuovo inchiostro: “uno che non richiede alte temperature per la densificazione, consente l’indurimento in condizioni fisiologiche senza generare calore o sottoprodotti tossici e proprietà viscoelastiche adeguate”.
I ricercatori suggeriscono l’uso di inchiostri bioceramici, creati in modo non tossico.
“Oltre alle questioni tecniche, ci sono altri ostacoli davanti alla traduzione di scaffold stampati come requisiti normativi rigorosi e mancanza di prove per le prestazioni biologiche in chirurgia clinica”, hanno affermato i ricercatori.
“Nonostante tutti i progressi nelle tecniche di produzione additiva per la bioceramica, ci sono ancora grandi lacune in questo campo relativamente all’accuratezza dimensionale, alle ottimizzazioni che richiedono tempo, alle fasi di postelaborazione invasive come la sinterizzazione che impediscono l’integrazione dello scaffold con cellule viventi e fattori di crescita o biopolimeri durante stampa e controllo su nanoscala durante la fabbricazione. “
La creazione di una varietà di diversi scaffold per la bioprinting è un focus continuo nel regno della stampa 3D, in particolare quando gli scienziati cercano di trovare modi migliori per sostenere le cellule nell’ingegneria dei tessuti, dal perfezionamento del design strutturale alla ricostruzione della mascella umana fino all’impianto di cellule esofagee senza usando i ponteggi.
